ترجمة : Fadi Syr – فريق عمل مترجم
Aerogel“ هي مادة صناعية مسامية خفيفة جدا ً مشتقة من ” gel” (الجيل أو الهلام), حيث يستبدل غاز بالسائل المشكل للهلام. الناتج هو مادة صلبة ذات كثافة منخفضة. تعود بعض تسميات هذه المواد مثل “الدخان المتجمد” أو ” الدخان الصلب” أو “الهواء الصلب” أو “الدخان الأزرق” لطبيعتها الشفافة و طريقة بعثرتها للضوء, تمتلك هذه المواد ملمس البوليستيرين (polystyrene).
“Samuel Stephens Kistler” هو من صنع „Aerogel“ لأول مرة عام 1931 كنتجة لرهانه مع “Charles Learned” حول من يستطيع استبدال غاز بالسائل في ” gel” دون انكماشه.
تحضر مواد „Aerogel“ بإستخلاص المكون السائل ل” gel” بالتجفيف فوق الحرج. هذا يسمح للسائل بالجفاف ببطء دون التسبب بإنهيار الجيل بسبب الخاصية الشعرية (capillary action), و الذي يمكن أن يحدث بالتبخير التقليدي.
صنعت أولى مواد „Aerogel“ من “silica gels ” (أكسيد السيليكون). لاحقاً صنع Kistler مواد „Aerogel“ من أكسيد الالمنيوم (alumina) و أكسيد الكروم (chromia) و أكسيد القصدير. صنعت „Aerogel“ من مركبات الكربون في أواخر الثمانينات من القرن الماضي.
على الرغم من اسمها إلا أن „Aerogel“ مواد صلبة و جاسئة و جافة و لا تشابه “gel ” في خواصه الفيزيائية, لكن التسمية جاءت لأنها مشتقة من “gel”. الضغط البسيط على “„Aerogel عادة لا يترك أي أثر , لكن الضغط القوي سيحدث أثراً دائماً. الضغط بقوة كبيرة كفاية سيؤدي إلى تحطم الهيكل الفراغي يشبه انكسار الزجاج (خاصية تسمى التفتيت “friability”), على الرغم من أن الأشكال الحديثة لاتعاني منها. على الرغم من أنها عرضة للتحطم إلا أنها قوية البنية. تعزى قدرتها المثيرة للإعجاب على الحمل إلى البنى المجهرية المتفرعة, حيث تنصهر كريات بمتوسط قياس 2-5 نانومتر معاً بمجموعات. تشكل هذه المجموعات بنية ثلاثية الأبعاد مسامية من سلاسل كسورية تقريباً (fractal chains), بمسام أقل من 100 نانومتر. يمكن التحكم بمتوسط قياس و كثافة المسام خلال عملية التصنيع.
“„Aerogel هي عوازل حرارية جيدة لأنها تتمتع تقريباً بأي من الطرق الثلاثة لنقل الحرارة (التوصيل، الإنتقال، الإشعاع). هي عوازل جيدة لأنها تتألف بشكل كامل تقريباً من الغاز، والغازات موصلات سيئة للحرارة. “silica aerogels” (أكسيد السيليكون) جيدة لأن السيليكا هي أيضا ً موصل سيء للحرارة (“„Aerogel المعادن أقل فعالية). فالهواء لايستطيع التحرك (تيارات الحمل بين الأجسام الباردة و الساخنة) بحرية في بنية “„Aerogel الشبكية.
بسبب خاصية الاسترطاب “hygroscopic” تعتبر هذه المواد مجففات قوية. يجب على الأشخاص الذين يتعاملون بهذه المواد لفترات طويلة أن يرتدوا قفازات للوقاية.
تسبب بنيتها الفرغية و التفرعات من مرتبة النانو متر تشتت الأمواج القصيرة من الضوء المرئي لتمنحها لونها. فتظهر باللون الأزرق الداكن في الخلفيات المعتمة و لون مصفر في الخلفيات الساطعة.
” Aerogels ” مواد محبة للماء (hydrophilic)، ولكن بالمعالجة الكيميائية يمكن جعلها كارهة له (hydrophobic). تعاني عند امتصاصها للرطوبة عادة تغير بالبنية، مثل الإنكماش و التاكل، و يمكن تجنب ذلك بجعلها كارهة للماء.. عندما تكون بنيتها الداخلية كارهة للماء تكون أقل عرضة للتآكل من مثيلاتها مع طبقة خارجية كارهة للماء فقط ، حتى لو أخترق صدع السطح.
الأنواع:-
أكسيد السيليكون (silica)
“Silica aerogel” هو النوع الأكثر شيوعا ً و الأكثر استخداماً ودرس على نطاق واسع. المادة الأساس في صناعته هو “silica gel” و التي تحضر من أكسيد السيليكون. أقل هذه المواد كثافة هو”silica nanofoam” 1 كغ/م3، كثافة الهواء 1,2 كغ/م3 (عند 20 °س و 1 جو). تمتلك “metallic microlattices” كثافة أقل وهي 0,9 كغ/م3 بعد إهمال كثافة الهواء داخل بنيتها أما دون اهمال هذه الكثافة فهي 2,1 كغ/م3
“Silica aerogel” يمتص الأشعة تحت الحمراء بشكل جيد. مما يتيح استخدامها لمواد البناء التي تسمح للضوء بالنفوذ و تمتص الحرارة لأغراض التدفئة الشمسية.
لديها خصائص ملحوظة في العزل الحراري، النقل الحراري منخفض للغاية: من.0,003 واط/م.كلفن إلى 0,004 واط/م.كلفن و التي تتوافق مع قيم ثابت العزل الحراري R. درجة انصهارها 1200 °س.
حصل “Silica aerogel” بحلول عام 2011 على 15 رقم قياسي في سجل غينيس للأرقام القياسية لخصائص المواد، بما في ذلك أفضل عازل وأدنى كثافة صلبة، على الرغم من كسر الرقم الأخير مؤخراً من قبل “aerographite” الأخف وزناً.
الكربون
تتكون “carbon aerogels” (أي المصنعة من المواد العضوية) من جسيمات في مجال النانومتر حجماً، مرتبطة معاً برابطة تساهمية. ذات مسامية عالية جداً (أكثر من 50٪، مع قطر مسام أقل من 100 نانومتر) والمساحات السطحية تتراوح بين 400 الى 1000 م2/غ. يتم تصنيعها كثير من الأحيان على شكل ورق مركب: ورق مصنوع من ألياف الكربون غير المنسوجة ، محملة ب “resorcinolformaldehyde aerogel” بعملية التحلل الحراري (pyrolysis). اعتماداً على الكثافة، قد يكون “carbon aerogels” موصل للكهرباء، مما يجعل ورقه المركب مفيدا ًكأقطاب كهربائية في المكثفات. نظراً لمساحة السطح العالية للغاية، وتستخدم “carbon aerogels” في صناعة المكثفات الفائقة، تصل القيم إلى الآلاف من الفارادات على أساس السعة, 104 فاراد/غ و 77 فاراد/سم3. يظهر “carbon aerogels” في طيف الأشعة تحت الحمراء بلون أسود، مما يعكس 0.3٪ فقط من الأشعة بين 250 نانومتر و 14,3 ميكرومتر (امتصاص كبير لهذه الاشعة)، مما يجعلها فعالة لجمع الطاقة الشمسية.
يستخدم مصطلح ” aerogel” بشكل غير صحيح لوصف أنابيب الكربون النانوية المنتجة من خلال تقنية “chemical vapor deposition”.
أكسيد الألمنيوم (alumina)
تعرف ” aerogel” المصنوعة من أكسيد الألمنيوم ب ” alumina aerogels” وتستخدم كحفازات، وخصوصاً عندما يلوث (doped) الألمنيوم بمعدن آخر. المزيج الأكثر شيوعا ً هو “Nickel-alumina aerogel”. يجري في وكالة ناسا دراسة الإستفادة من ” alumina aerogels” لإلتقاط الجسيمات الفائقة السرعة؛ بإضافة معادن مثل الجادولينيوم والتيربيوم والتي تتألق في موقع تأثير الجسيمات، حيث تتناسب شدة التألق مع كمية طاقة الجسيم.
أنواع آخرى
” SEAgel ” هي مادة مشابهة ” aerogel” العضوية، لكن مصنوعة من “Agar”.
تصنع ” Chalcogels ” مصنوعة من “chalcogens”(و هي عناصر فصيلة الأكسجين في الجدول الدوري مثل الكبريت والسيلينيوم، وغيرها).
تم مؤخراً صناعة ” Aerogels ” من كريات نانوية (nanoparticles=quantum dots) من سيلينيد الكادميوم (CdSe) على شكل بنية شبكية ثلاثية الأبعاد طورت لإستخدامها في صناعة أشباه الموصلات.
تطبيقات:-
هناك مجموعة متنوعة من التطبيقات التي تستخدم”aerogels “.
• أستخدمت ” aerogels ” تجاريا ً على شكل حبيبات لعزل الأسقف الشفافة (skylights).
• “silica aerogel” الشفافة مناسبة جدا ً كمادة عزل حراري للنوافذ، مما يقلل بشكل كبير من خسارة الطاقة الحرارية في المباني. وقد وجد فريق من الباحثين أن إنتاج ” aerogels ” في بيئة انعدام الجاذبية يمكن أن تنتج جسيمات ذات حجم أكثر تناسقاً و بالتالي الحد من تبعثر الضوء، مما يجعل ” aerogels ” أقل زرقة وأكثر شفافية.
• مساحتها السطحيه الكبيرة تؤدي إلى العديد من التطبيقات، مثل الإمتزاز الكيميائي كحفاز أو كناقل للحفاز مثلاً.
• تستخدم جزيئات ” Aerogel ” كمواد مالئة (لزيادة الكثافة) في بعض أنواع الطلاء ومستحضرات التجميل.
• يجري حالياً اختبار ” Aerogels ” لإستخدامها في الأهداف “Targets” في “National Ignition Facility”.
• يمكن زيادة أداء ” Aerogel ” لتطبيق معين عن طريق إضافة ” dopants” (إضافة كميات صغيرة من مادة أخرى أو تلويث العينة)، وتعزيز البنية. بهذه الطريقة، يمكن زيادة تطبيقات هذه المواد زيادة كبيرة.
• تصنيع البطانيات تجارياً من هذه المواد بدأ حوالي عام 2000. هذه البطانية هي مزيج مركب من “silica aerogel” و ألياف داعمة تحول “aerogels” الهش إلى مادة مرنة. قد تتنوع الخواص الميكانيكية والحرارية للمنتج بناء على نوع الألياف ، و بنية “aerogels”، والمواد المضافة.
• تستخدم ناسا “aerogels” لإصطياد جزيئات الغبار الفضائي على متن سفينة الفضاء “stardust”. تتبخر الجسيمات بالإصطدام بالمواد الصلبة و تمر عبر الغازات، ولكن يمكن اصطيادها في “aerogels”. تستخدمه ناسا أيضاً للعزل الحراري.
• تقوم البحرية الأمريكية بتقييم ملابس “aerogels” للحماية الحرارية السلبية للغواصين.
• تستخدم “aerogels” في فيزياء الجسيمات كمشعات للكشف عن تأثير شيرينكوف (Cherenkov effect). و تجارب أخرى في فيزياء الجسيمات و فيزياء الفضاء.
• تستخدم في الغالب “Resorcinol-formaldehyde aerogels” (بوليمرات مشابهة كيميائياً ل “phenolformaldehyde resins”) كركائز لإنتاج “carbon aerogels”، أو عندما يكون المطلوب عازل عضوي ذو سطح كبير. كما أنها مواد عالية الكثافة، مع مساحة سطح حوالي 600 م2/غ.
• ذكر معهد جورجيا للتكنولوجيا “georgia institute of technology” عام 2007 استخدام “Aerogels” كعازل في الأسقف شبه الشفافة ضمن مشروع “Solar Decathlon House”.
• يمكن تحضير مواد نانوية معدنية ” nanocomposites ” من “aerogels ” و يتم ذلك بتحميل “Hydrogels” محلول يحتوي على أيونات معادن انتقالية.ثم يشع ” Hydrogels” المحمل بالشوارد المعدنية بأشعة جاما، مما يؤدي إلى ترسب الجسيمات النانوية المعدنية. ويمكن استخدام هذه المواد كأجهزة استشعار أو كمواد محفزة، أو في الحماية الكهرومغناطيسي، أو التخلص من النفايات. تستخدم الجسيمات النانوية البلاتينية كمحفزات في خلايا الوقود.
• ويمكن استخدام ” Aerogel ” كنظام إيصال الأدوية (drug delivery system) بسبب توافقها الحيوي (biocompatibility). حيث يمكنها امتزاز الأدوية من غاز ثنائي اكسيد الكربون نظرا ً لمساحتها السطحية العالية وبنيتها المسامية. ويمكن تكييف معدل تحرير الدواء استناداً إلى خصائص ” Aerogel “
• يستخدم “carbon aerogels” في بناء المكثفات الكهروكيميائية الفائقة الصغيرة مزدوجة الطبقة. نظراً لمساحتها السطحية الكبيرة، هذه المكثفات أصغر بالفين إلى خمسة آلاف مرة من المكثفات الكهربائية المشابهة. هذه المكثفات الفائقة تملك مقاومة منخفضة جدا ً بالمقارنة مع المكثفات الفائقة العادية. هذه المكثفات حاليا ًحساسة للإستقطاب (الربط مع القطب السالب أو الموجب) لذا يجب ربطها على التسلسل إذا كان الجهد الكهربائي أكبر من 2,75 فولط.
• أدرجت مؤخرا ًشركة دنلوب (Dunlop) مادة ” Aerogel ” في هيكل سلسلة جديدة من مضارب التنس، كما استخدم سابقاً في مضارب الاسكواش.
• أظهرت ” Chalcogels ” نتائج واعدة في امتصاص ملوثات المياه من المعادن الثقيلة مثل الزئبق والرصاص والكادميوم.
• يستطيع ” Aerogel ” إدخال اضطراب فيالميوعة الفائقة (Superfluid) للهيليوم-3.
التصنيع
ينتج ” aerogels ” بطريقة “Sol-Gel process”. يحضر ال “Gel” في المحلول ثم يزال المحل بعناية لينتج “aerogels”.
الخطوة الأولى هي إنشاء معلق غروي (colloidal suspension) من الجزيئات الصلبة المعروفة باسم “Sol”. تصنع “Silica aerogel” من السيليكا الغروية. تبدأ العملية بمزج الغول السائل مثل الغول الايتيلي مع احد المشتقات الغولية للسيليسيوم ، مثل رباعي ميثيل اورتوسيليكات ” tetramethyl orthosilicate (TMOS)” أو رباعي إيثيل اورتوسيليكات “tetraethyl orthosilicate (TEOS) ” . تفاعل الحلمهة (hydrolysis) يؤدي لتشكل جسيمات من ثنائي أكسيد السيليكون و التي تشكل محلول ال “Sol”. تبدأ تفاعلات التكاثف بين الاكاسيد لتشكل جسور أكسجينية بين المعادن (إما “M-O-M” أو
“M-OH-M”) يربط بين الجسيمات الغروية.
هذا الترابط بين الجسيمات يوقف تدفق السائل داخل المادة، وهو ما يعرف ب “Gel”. وتعرف هذه العملية ب “Gelation”. سرعة هذه التفاعلات معتدلة و بطيئة، لذلك تستخدم المواد الحفازة الحمضية أو القلوية لتحسين السرعة. تميل الحفازات القلوية إلى إنتاج ” aerogels ” أكثر شفافية و أقل انكماشا.
ينطوي إزالة السائل من ” aerogels ” على معالجة خاصة. يعرف ال “gel” ب ” xerogels ” حين يتبخر السائل بالطرق المعروفة. عند تبخر السائل تسبب قوة التوتر السطحي سائل-صلب ما يكفي لتدمير شبكة ال ” gel” الهشة. لذالك لا تملك ” xerogels ” مسامية عالية و تنكمش بشكل كبير بعد التجفيف.
استخدم “Kistler” في عام 1931، لتطوير ” aerogels ” عملية تعرف بإسم التجفيف فوق الحرج (supercritical drying).تمكن من وضع السائل بحالة السيولة فوق الحرجة (supercritical fluid) عن طريق زيادة درجة الحرارة والضغط, و عند انخفاض الضغط يتحول السائل مباشرة إلى غاز و يتبخر، مع تجنب الأضرار بالبنية الشبكية. يوجد طريقة أكثر أماناً وهي بخفض درجة الحرارة و الضغط مع استبدال المحلات. ويتم ذلك عادة عن طريق استبدال الأسيتون بالإيثانول ، ومن ثم ثنائي أكسيد الكربون السائل بالاسيتون ثم إيصال ثنائي أكسيد الكربون إلى فوق النقطة الحرجة (critical point). البديل عن هذه العملية هو الحقن المباشر لثنائي أكسيد الكربون في وعاء الضغط الذي يحتوي على ” aerogels “. مما يؤدي لإزالة كافة السائل من “gel” واستبدالها الغاز، دون السماح للبنية بالإنهيار أو فقدان الحجم.
صنعت مواد ” Aerogel ” بإستخدام مجموعة متنوعة من المواد.المقوية (reinforcements) . وقد استخدمت نسبة عالية من الألياف مثل الألياف الزجاجية لتعزيز بنية ” Aerogel ” و تحسين خواصها الميكانيكية.
يصنع “Resorcinol-formaldehyde aerogels” بطريقة مشابهة لتصنيع “silica aerogel”.
يصنع “Carbon aerogel ” من ” resorcinol–formaldehyde aerogel” بعملية التحلل الحراري “pyrolysis” في جو من غاز خامل. وهي متوفره تجارياً بعدة اشكال.
الامان
لم يعرف أي تأثير سام أو مسرطن ل “silica- aerogels “. لكن لها تأثير ميكانيكي مخرش للعيون والجلد والجهاز التنفسي، والجهاز الهضم. يمكن أن يؤدي استنشاق جسيمات اكسيد السيليسيوم للسحار الرملي عند استنشاقه. يمكن أن تحدث أيضاً جفاف الجلد والعينين والأغشية المخاطية. ولذلك، فمن المستحسن ارتداء ملابس واقية بما في ذلك حماية الجهاز التنفسي، والقفازات ونظارات واقية العين عند التعامل مع “aerogels”.
تدقيق : هنادي العنيس
نقاش
Powered by Facebook Comments
